(57)【要約】【課題】  ブラシレスＤＣモーターなどの回転子コアに永久磁石を配置した電動機において、回転子コアの内部に円弧形状のスリットを配置してリラクタンストルクを最小限に抑えることによって、モータートルクのリップル量を低減し、低騒音を実現する。【解決手段】  回転子コアに永久磁石を配置した永久磁石電動機において、回転子コアの内部に、永久磁石を間に置いて永久磁石の内側または外側に磁束の磁路に沿って円弧形状のスリットを複数列に配置する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子コアに永久磁石を配置した永久磁石電動機であって、
前記回転子コアの内部に磁束の磁路に沿ってスリットが配置されていることを特徴とする永久磁石電動機。
【請求項２】
前記スリットは、永久磁石を間に置いて永久磁石の内側または外側に複数列に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石電動機。
【請求項３】
前記スリットの複数列は、２列以上であることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石電動機。
【請求項４】
前記複数のスリットは、円弧形状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の永久磁石電動機。
【請求項５】
前記円弧形状の中心点は、回転子コアの表面に位置することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石電動機。
【請求項６】
前記円弧形状の中心点は、回転子コアの内部を外れた地点に位置することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石電動機。
【請求項７】
前記円弧形状の中心点は、永久磁石と永久磁石との間の回転子コアの中心線上に位置することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石電動機。
【請求項８】
前記中心点の異なる円弧形状のスリットどうし間には、直線状のスリットが配置されていることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石電動機。
【請求項９】
前記直線状のスリットは、永久磁石の外側に配置されることを特徴とする請求項８に記載の永久磁石電動機。
【請求項１０】
回転子コアに永久磁石を配置した永久磁石電動機であって、
前記回転子コアの内部に磁路形成を誘導するスリットが配置されていることを特徴とする永久磁石電動機。
【請求項１１】
前記磁路は、永久磁石を中心に均一に分布することを特徴とする請求項１０に記載の永久磁石電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモーターなどの回転子コアに永久磁石が配置された電動機に関し、特に、回転子コアに円弧形状のスリットを配置し、このスリットに永久磁石を配置して低騒音を実現する永久磁石電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ブラシレスＤＣモーターなどの電動機は、その回転子コアの内部に永久磁石が配置されている。一般の永久磁石電動機の一例を図１に示す。
【０００３】
図１は、永久磁石電動機の内部を、その回転軸線と直交する面から見た平面図であり、３相４極の電動機が示されている。図１で、回転磁界を発生する固定子コア２の内部には、回転子コア４が配置され、この回転子コア４の内部には、電動機の極数(例えば、４極)に対応して永久磁石６が回転子コア４の外径に沿って円周方向に配置されている。
【０００４】
各永久磁石６は、断面が直方形である帯板形状で、永久磁石６の両端一方のＱ軸からもう一方のＱ軸への磁束(固定子コアからの磁束)長さに水平に配置され、また、一方のＤ軸からもう一方のＤ軸への磁束(固定子コアからの磁束)長さに垂直に配置される。
【０００５】
各永久磁石６どうしの間には、隣り合う永久磁石６間における磁束の短絡と漏れを防止するための、フラックスバリアとしての穴７が形成されており、この穴７は、三角形状で各永久磁石６の両端に配置されている。
【０００６】
また、回転子コア４の中心には、回転軸が通過するシャフト圧入用の中心穴８が形成されている。
【０００７】
この構造から、Ｄ軸及びＱ軸へのインダクタンス比(所謂、突極縦流)が得られ、Ｄ軸インダクタンスとＱ軸インダクタンスとの違いによってリラクタンストルク(reluctance  torque)が発生する。
【０００８】
リラクタンストルクは、永久磁石６によるマグネットトルクに対して電気的に９０゜位相差があり、また、マグネットトルクの２倍の周期に変化するために、永久磁石６の配置される位置が回転子コア４の内径側に近づくほど、または、リラクタンストルクをより有効に用いようとすればするほど、永久磁石６と回転子表面との間に配置される磁性材の回転子コア４の直径方向の長さが長くなるため、磁束の分散が容易になり、回転子コア４の表面での永久磁石６の分布は均一になる。
【０００９】
かかる従来の永久磁石電動機の磁束分布図を、図２に示す。図２には、永久磁石６から出る磁束が分散される形態と、リラクタンストルクが発生する磁束の流れが示されている。
【００１０】
図２で、Φｍ及びΦｒはそれぞれ、マグネットトルク及びリラクタンストルクを得る場合に外部励磁が行なわれたときの磁束の流れを表し、界磁極中心がマグネットトルクの中心となり、これを通常、Ｄ軸とし、界磁極間の位置がＤ軸に対して電気的に９０゜位相差を有し、これをＱ軸としている。
【００１１】
ところで、このような従来の永久磁石電動機は、Ｄ軸の磁路に、透磁率の小さい永久磁石が略直角に配置されているため、Ｄ軸インダクタンスは元より小さい。これに対し、Ｑ軸の磁路には、比較的大きい永久磁石がその磁路に沿って配置されているために、Ｑ軸インダクタンスはＤ軸インダクタンスよりは大きいが、Ｑ軸インダクタンスとほとんど違いはない。
【００１２】
したがって、Ｄ軸及びＱ軸インダクタンス比(いわゆる、突極縦流)が極めて小さく、リラクタンストルクがモータートルクに殆ど寄与せず、主としてマグネットトルクがモータートルクに寄与することになる。
【００１３】
また、図２のように固定子コア２の極中心と回転子コア４の極中心が一致するときのフラックス(Flux)線図を見ると、回転子コア４の内部で、回転子コア４の極中心を基準に磁束が均等に分布せずに広くなって漏れることが分かる。この現象からモータートルクのリップル量が増加し、電動機騒音に大きい影響を及ぼすという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みて、回転子コアの内部に円弧形状のスリットを複数列に形成してリラクタンストルクを最小限に抑えることによって、モータートルクのリップル量を低減し、低騒音を実現する永久磁石電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するための本発明は、回転子コアに永久磁石を配置した永久磁石電動機であって、前記回転子コアの内部に磁束の磁路に沿ってスリットが配置されていることを特徴とする。
【００１６】
前記スリットは、永久磁石を間に置いて永久磁石の内側または外側に複数列に積層されており、前記スリットの複数列は、２列以上であることを特徴とする。
【００１７】
前記複数のスリットは、円弧形状に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
前記円弧形状の中心点は、回転子コアの表面、または、回転子コアの内部を外れた地点に位置することを特徴とする。
【００１９】
前記円弧形状の中心点は、永久磁石と永久磁石との間の回転子コアの中心線上に位置することを特徴とする。
【００２０】
前記中心点の異なる円弧形状のスリットどうし間には、直線状のスリットが配置されており、前記直線状のスリットは、永久磁石の外側に配置されることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、回転子コアに永久磁石を配置した永久磁石電動機であって、前記回転子コアの内部に磁路形成を誘導するスリットが配置されており、前記磁路は、永久磁石を中心に均一に分布することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の永久磁石電動機によれば、回転子コアの内部に円弧形状のスリットを複数列に積層してリラクタンストルク成分を最小限に抑えるため、トルクの高周波成分が除去され、トルク波形の高周波成分が減った正弦波に近いトルク波形を持つようになり、モータートルクのリップル量が低減し、低騒音を実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
図３は、本発明の一実施の形態による永久磁石電動機の概略平面図であり、従来の構成と同一の部分には同一の符号を付する。
【００２５】
図３で、回転磁界を発生する固定子コア２の内部には、回転子コア４が配置され、この回転子コア４の内部には、電動機の極数(例えば、４極)に対応して永久磁石６が回転子コア４の外径に沿って円周方向に配置されている。
【００２６】
各永久磁石６は、断面が直方形である帯板形状で、永久磁石６の両端一方のＱ軸からもう一方のＱ軸への磁束(固定子コアからの磁束)長さに水平に配置され、また、一方のＤ軸からもう一方のＤ軸への磁束(固定子コアからの磁束)長さに垂直に配置される。
【００２７】
各永久磁石６は、回転子コア４の外周縁側で、この回転子コア４の直径と直交する方向に沿って一対のＮ極と一対のＳ極がそれぞれ対向して配置されており、また、各永久磁石６は、図３のように直交する方向に沿って回転子コア４の内部に埋設されている。
【００２８】
各永久磁石６どうし間には、隣り合う永久磁石６の間における磁束の短絡と漏れを防止するための、フラックスバリアとしての穴７が形成されており、この穴７は、三角形状で各永久磁石６の両端に配置されている。
【００２９】
また、回転子コア４の中心には、回転軸が通過するシャフト圧入用の中心穴８が形成されており、この回転子コア４の材質は電気鋼板であって、その比透磁率(μＲ)は約３０００〜４０００となる。
【００３０】
本発明の永久磁石電動機は、回転子コア４の内部、すなわち、従来の回転子構造に、複数(例えば、２〜４列)のスリット１０ａ，１０ｂを円弧形状に配置した構造であり、スリット１０ａ，１０ｂの内部は、比透磁率(μＲ)１の空気で満たされている。
【００３１】
複数のスリット１０ａ，１０ｂは、回転子コア４の軸方向に相異なる長さの複数列で積層された構造であり、各スリット１０ａ，１０ｂの厚さは同一である。
【００３２】
複数のスリット１０ａは、その円弧形状の中心点が回転子コア４内部に存在せず、回転子コア４の表面や回転子コア４の内部を外れた地点と回転子コア４の中心点(中心線上)において永久磁石６と永久磁石６との間、つまり、永久磁石６の極中心から４５゜の位置にある地点に存在するように配置する。
【００３３】
また、永久磁石６の外側回転子コア４には、相異なる中心点を有する円弧形状の複数スリット１０ａと円弧形状の複数スリット１０ａとの間に、直線構造のスリット１０ｂを配置する。
【００３４】
ここで、回転子コア４の内部にある永久磁石６によってＮ極の磁束がＳ極に流れるようになり、この磁束と固定子コア２の巻線によって発生する磁束によって同方向に磁束が流れるようにすべく、回転子コア４は回転する。
【００３５】
本発明において、回転子コア４の永久磁石６から発生する磁束の経路は、回転子コア４の形状によって決定され、この決定された磁束の経路は、回転子コア４に配置されているスリット１０ａ，１０ｂの形状によって定められる。
【００３６】
一方、スリット１０ａ，１０ｂの内部は、比透磁率(μＲ)１の空気で満たされており、回転子コア４は、約３０００〜４０００程度の比透磁率(μＲ)を有する電気鋼板からなるため、磁気抵抗(Ｒ＝１／μＲ)の小さい側に流れる特性を持つ磁束の流れを見ると、固定子コア２の巻線によって発生した磁束と回転子コア４の磁極によって磁束の流れに対する方向が定められる。
【００３７】
このように、回転子コア４内部のスリット１０ａ，１０ｂによって、回転子コア４内部の磁束はスリット１０ａ、１０ｂとスリット１０ａ，１０ｂとの間の回転子コア４の方向に流れるようになる。
【００３８】
すなわち、スリット１０ａ，１０ｂの方向は、図４に示すように、磁束の流れ方向に設定され、このように設定されたスリット１０ａ，１０ｂの方向は、磁束の流れ方向を決定するため、回転子コア４内部の一部に磁束が集中されず、回転子コア４の内部に均一に分布した効果を持つので、回転子コア４の損失を減らすことができる。
【００３９】
したがって、回転子コア４の磁束が回転子表面全体に亘って均一に通過するようになるため、マグネットトルクが一方に偏らず、正弦的な値を持つが、トルク波形に大きな影響を与えるマグネットトルクが正弦波であることからモータートルクも正弦波に近い波形を有することになり、よって、電動機の振動騒音側面で有利である。
【００４０】
特に、ここで、リラクタンストルクが発生する軸とマグネットトルクが発生する軸とが９０゜の差を有するのではなく、リラクタンストルク軸とマグネットトルク軸とが一致する(Ｄ軸とＱ軸が一致する)。
【００４１】
したがって、モータートルクは、固定子コア２の極中心と回転子コア４の極中心が一致するときに最大となり、このときに、モータートルクが歪まずに正弦波に近いため、電動機運転が円滑になって電動機の騒音低減が可能になる。
【００４２】
本発明の回転子コア４内部のスリット１０ａ，１０ｂの構造を見ると、スリット１０ａは円弧形状を持ち、この円弧形状の中心点は、回転子コア４内部に存在せず、回転子コア４の表面や回転子コア４の内部を外れた地点と回転子コア４の中心点(中心線上)において永久磁石６と永久磁石６との間、つまり、永久磁石６の極中心から４５゜位置にある地点に存在する。
【００４３】
したがって、磁束がＮ極から出てＳ極に入るときに、回転子コア４の内部構造においてスリット１０ａの構造が、磁束が円滑に流れるように助け、磁束の流れる磁路(経路)が短くなるように導くため、回転子コア４の損失が減り、電動機効率が向上し、また、回転子コア４表面の磁束が正弦的であることからトルク波形も正弦的になるため、電動機の振動騒音が低減する。
【００４４】
要するに、ブラシレスＤＣモーターのトルクは、リラクタンストルクとマグネットトルクによって発生するが、電動機の騒音を減らすためにはトルクリップルが小さくなければならない。
【００４５】
したがって、本発明では、トルクリップルを減らすべくリラクタンストルク成分を最小限に減らすことによって、トルクの高周波成分が除去されるため、トルク波形の高周波成分が減った正弦波成分に近いトルク波形を持つようになり、結果として電動機の騒音が低減する。
【００４６】
図５に示すように、本発明の永久磁石電動機を適用した場合には、従来の永久磁石電動機を適用した場合に比べて、モータートルク値(kgf-cm)は５.３９３Ｎから５.２２９Ｎと、大きく改善したものではないが、トルクリップルは、４２％から３０.６％に改善され、電動機の騒音振動が著しく改善されたことが分かる。
【００４７】
以上では、本発明による永久磁石電動機を実施するための具体例が説明されたが、本発明は、この具体例に限定されず、本発明の技術的思想を逸脱しない限り当分野で通常の知識を持つ者によって各種の変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の永久磁石電動機の概略平面図である。
【図２】従来の永久磁石電動機の磁束分布図である。
【図３】本発明の一実施の形態による永久磁石電動機の概略平面図である。
【図４】本発明による永久磁石電動機の磁束分布図である。
【図５】従来の永久磁石電動機と本発明の永久磁石電動機のトルク波形図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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